(57)【要約】【課題】カソード排気を改質器の燃焼用空気として用いることにより、バーナ空気供給用ブロワを不要とした、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。【解決手段】内部に導入された燃料を水素リッチガスに改質する改質器２と、アノード極１ａ及びカソード極１ｂからなる燃料電池１を備え、カソード極１ｂへのカソード空気の供給をカソード空気供給用ブロワ５によって行うように構成した燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、燃料電池１のカソード極１ｂの出口側に接続されたカソード排気排出ライン１０と、カソード空気供給用ブロワ５によってカソード極１ｂへ空気を供給するカソード空気供給ライン１１とを、熱交換及び水分の移動を行う全熱交換器１２に接続すると共に、この全熱交換器１２を経たカソード排気を、カソード排気供給ライン１３を介して、改質器バーナ３に導入するように構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に導入された燃料を水素リッチガスに改質する改質器と、アノード極及びカソード極からなる燃料電池を備え、前記カソード極へのカソード空気の供給をブロワによって行うように構成した燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
前記カソード極へ供給されるカソード空気と、前記カソード極から排出されたカソード排気とを同一の全熱交換器に導入し、該全熱交換器を経たカソード排気を前記改質器に導入するように構成したことを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記ブロワからカソード極にカソード空気を供給するラインと、前記全熱交換器から改質器へカソード排気を供給するラインの間にバイパスラインを設置し、
前記カソード空気を供給するラインには、前記全熱交換器の上流側に第１の遮断弁を設置すると共に、前記バイパスラインには第２の遮断弁を設置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【請求項３】
燃料電池の起動時には、前記第１の遮断弁を閉じて、前記ブロワによって供給される空気を直接改質器に供給し、発電時には、前記第２の遮断弁を閉じて、前記カソード極から排出されたカソード排気を前記全熱交換器に導入した後、改質器に供給するように構成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池コージェネレーションシステムに係り、特に、カソード排気を改質器バーナの燃焼用空気として利用することにより、コストの削減と信頼性の向上を図った燃料電池コージェネレーションシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家庭用燃料電池コージェネレーションシステム（以下、燃料電池コージェネレーションシステムという）は、都市ガスあるいはＬＰＧ等を燃料として改質器において水素リッチガスを生成し、この水素リッチガスを電池本体のアノード極に供給し、また、大気中の空気を電池本体のカソード極に供給することにより、両極における電気化学反応で電気と熱を発生するものである。
【０００３】
上述した水素リッチガスを生成する改質反応は吸熱反応であるため、一般的に、改質器にバーナを設置し、バーナの燃焼熱によって改質反応を行っている。この改質器のバーナにおいては、燃料電池のアノード極から排出されたアノードオフガスを燃料として、また空気をブロワによって供給して燃焼させている（特許文献１参照）。
【０００４】
図３は、従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成の一例を示したものであって、該システムは、大別して燃料電池１と改質器２と図示しない温水器から構成されている。この改質器２には燃料供給用ブロワ（図示せず）を介して都市ガスあるいはＬＰＧ等の燃料が導入されると共に、改質器バーナ３には、バーナ空気供給用ブロワ４を介して空気が導入され、改質器２において上記燃料が水素リッチガスに改質されるように構成されている。
【０００５】
改質器２において改質された水素リッチガスは、燃料電池１のアノード極１ａに導入され、一方、燃料電池１のカソード極１ｂにはカソード空気供給用ブロワ５を介して空気が導入され、両極における電気化学反応によって電気と熱が発生するように構成されている。また、燃料電池１のアノード極１ａから排出されたガスは、前記改質器２へ戻されるように構成されている。なお、改質器２からの排ガス及び燃料電池１のカソード極１ｂからの排ガスは、必要に応じて排熱回収を行い、系外へ排出されるように構成されている。
【特許文献１】特開２００５−６０１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような従来の燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、改質器バーナ３への燃焼用空気の供給のためにバーナ空気供給用ブロワ４を設置する必要があるため、コストの増加やブロワの故障による信頼性の低下の可能性があった。
【０００７】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、カソード排気を改質器の燃焼用空気として用いることにより、バーナ空気供給用ブロワを不要とした、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、内部に導入された燃料を水素リッチガスに改質する改質器と、アノード極及びカソード極からなる燃料電池を備え、前記カソード極へのカソード空気の供給をブロワによって行うように構成した燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記カソード極へ供給されるカソード空気と、前記カソード極から排出されたカソード排気とを同一の全熱交換器に導入し、該全熱交換器を経たカソード排気を前記改質器に導入するように構成したことを特徴とするものである。
【０００９】
上記のような構成を有する請求項１の発明によれば、ブロワを介してカソード極に導入された空気のうち、カソード極から排出されるカソード排気を改質器の燃焼用空気として利用することができるので、従来設置されていたバーナ空気供給用のブロワを不要とすることができる。これにより、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記ブロワからカソード極にカソード空気を供給するラインと、前記全熱交換器から改質器へカソード排気を供給するラインの間にバイパスラインを設置し、前記カソード空気を供給するラインには、前記全熱交換器の上流側に第１の遮断弁を設置すると共に、前記バイパスラインには第２の遮断弁を設置したことを特徴とするものである。
【００１１】
上記のような構成を有する請求項２の発明によれば、起動時においては、前記第１の遮断弁を閉じて、ブロワにより供給した空気をバイパスラインを介して直接改質器に導入することにより、改質器の燃焼用空気として利用することができるので、バーナ空気供給用のブロワを不要とすることができる。
【００１２】
また、発電時においては、第２の遮断弁を閉じて、カソード極を通過したカソード排気を、前記全熱交換器を通過させることによって該カソード排気中の水分を減少させた後、改質器に導入することにより、改質器の燃焼用空気として利用することができるので、バーナ空気供給用ブロワを不要とすることができる。
【００１３】
その結果、起動時、発電時のいずれにおいても、バーナ空気供給用のブロワを不要とすることができるので、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。また、常に余分な水分を含まない空気を改質器の燃焼用空気として供給することができるので、電池にダメージを与えることも防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カソード排気を改質器の燃焼用空気として用いることにより、バーナ空気供給用ブロワを不要とした、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図３に示した従来型と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。
【００１６】
（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態においては、燃料電池１のカソード極１ｂの出口側に接続されたカソード排気排出ライン１０と、カソード空気供給用ブロワ５によってカソード極１ｂへ空気を供給するカソード空気供給ライン１１とを、熱交換及び水分の移動を行う全熱交換器１２に接続すると共に、この全熱交換器１２を経たカソード排気を、カソード排気供給ライン１３を介して、前記改質器バーナ３に導入するように構成されている。
【００１７】
なお、上記のような構成とした理由は、カソード極１ｂを出たカソード排気中には１０％程度の酸素が含まれているため、このカソード排気を改質器バーナの燃焼用空気として利用することができるという点にある。ただし、カソード排気中には６０℃程度の飽和水分が含まれており、改質器バーナ３の燃焼性に悪影響を与える危険性があるため、全熱交換器１２によってカソード排気中に含まれる水分を除去できるようにしたものである。
【００１８】
（１−２）作用
以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。すなわち、カソード極１ｂを出たカソード排気中には６０℃程度の飽和水分が含まれているが、このカソード排気を全熱交換器１２に導入すると共に、カソード極１ｂに流入する空気を全熱交換器１２に導入することにより、全熱交換器１２において、カソード排気とカソード極１ｂに流入する空気との間で熱及び水分の交換を行うことができる。その結果、水分を減少させたカソード排気を、カソード排気供給ライン１３を介して改質器バーナ３に導入して、改質器バーナ３の燃焼用空気として利用することができる。
【００１９】
（１−３）効果
以上の様な構成を有する本実施形態によれば、カソード空気供給用ブロワ５を介してカソード極１ｂに導入された空気のうち、カソード極１ｂから排出されるカソード排気を改質器バーナ３の燃焼用空気として利用することができるので、従来設置されていたバーナ空気供給用ブロワ４を不要とすることができる。これにより、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
【００２０】
（２）第２実施形態
（２−１）構成
本実施形態においては、カソード空気供給用ブロワ５からカソード極１ｂに空気を導入するカソード空気供給ライン１１と、カソード排気供給ライン１３の間にバイパスライン２０が設置され、前記カソード空気供給ライン１１には、全熱交換器１２の上流側に第１の遮断弁２１が設置されると共に、前記バイパスライン２０には第２の遮断弁２２が設置されている。その他の構成は上記第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
【００２１】
なお、上記のような構成とした理由は以下の通りである。すなわち、カソード極に空気を供給すると燃料電池の電圧の上昇が見られるが、この電圧の上昇が長時間継続すると燃料電池本体への不可逆的なダメージが発生する危険性がある。
【００２２】
そこで、本実施形態においては、カソード極１ｂをバイパスするバイパスライン２０を設けると共に、カソード側及びバイパス側にそれぞれ第１の遮断弁２１及び第２の遮断弁２２を設置し、起動時には、第１の遮断弁２１を閉じて、カソード空気供給用ブロワ５によって供給される空気を、カソード極１ｂをバイパスして直接改質器バーナ３に供給するように構成されている。
【００２３】
一方、発電時には、第２の遮断弁２２を閉じ、上記第１実施形態と同様に、カソード極１ｂから排出されたカソード排気を全熱交換器１２に導入した後、改質器バーナ３に供給するように構成されている。
【００２４】
（２−２）作用
以上の様な構成を有する本実施形態の作用は以下の通りである。すなわち、燃料電池の起動時には、第１の遮断弁２１を閉じて、カソード空気供給用ブロワ５によって供給される空気を、カソード極１ｂをバイパスして直接改質器バーナ３に供給する。一方、燃料電池の発電時には、第２の遮断弁２２を閉じ、カソード極１ｂから排出されたカソード排気を全熱交換器１２に導入した後、改質器バーナ３に供給する。
【００２５】
これにより、起動時には、カソード空気供給用ブロワ５によって供給される空気を、直接改質器バーナ３に供給することができると共に、発電時には、カソード極１ｂから排出されたカソード排気から余分な水分を除去した後、改質器バーナ３に供給することができる。
【００２６】
（２−３）効果
以上の様な構成を有する本実施形態によれば、起動時においては、カソード空気供給用ブロワ５により供給した空気を、バイパスライン２０を介して直接改質器バーナ３に導入することにより、改質器バーナ３の燃焼用空気として利用することができるので、バーナ空気供給用ブロワ４を不要とすることができる。
【００２７】
また、発電時においては、上記第１実施形態と同様に、カソード極１ｂを通過したカソード排気を、全熱交換器１２を通過させることによって該カソード排気中の水分を減少させた後、改質器バーナ３に導入することにより、改質器バーナ３の燃焼用空気として利用することができるので、バーナ空気供給用ブロワ４を不要とすることができる。
【００２８】
このように、本実施形態によれば、起動時、発電時のいずれにおいても、バーナ空気供給用ブロワ４を不要とすることができるので、低コストで信頼性の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。また、常に余分な水分を含まない空気を改質器バーナ３の燃焼用空気として供給することができるので、電池にダメージを与えることも防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第１実施形態の構成を示す図。
【図２】本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの第２実施形態の構成を示す図。
【図３】従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１…燃料電池
１ａ…アノード極
１ｂ…カソード極
２…改質器
３…改質器バーナ
４…バーナ空気供給用ブロワ
５…カソード空気供給用ブロワ
１０…カソード排気排出ライン
１１…カソード空気供給ライン
１２…全熱交換器
１３…カソード排気供給ライン
２０…バイパスライン
２１…第１の遮断弁
２２…第２の遮断弁
【図１】
2010033907.tif 000003
【図２】
2010033907.tif 000004
【図３】
2010033907.tif 000005